CN204556818U - 基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统，该回收系统由单脉冲引航系统、伪卫星场、机载系统和系统交互控制单元等部分组成；在无人机回收导引过程中，该系统分阶段分别采用单脉冲引航系统和伪卫星场向无人机提供导引信号，信号精度高，抗干扰能力强，该回收系统可为无人机的着陆/舰提供不依赖于导航卫星的导引信号，可在天基导航卫星被摧毁或信号被干扰的情况下，实现无人机的自主着陆/舰。
Description
技术领域
本实用新型涉及无人机定位技术领域，特别是一种基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统，用于引导无人机自主精确回航和着陆/舰。
背景技术
着陆/舰导引是指用无线电设备使无人机安全着陆/舰的导航技术，自主着陆/舰是指在无人机降落阶段，将机载设备得到的所有有用信息通过一定的技术手段进行综合处理，获得精度足够高、信息足够充分的着陆/舰信息，使无人机可以在没有人直接参与的情况下自动完成其着陆/舰过程。着陆/舰辅助系统是决定无人机在恶劣天气/海况下能否顺利着陆/舰的重大关键技术。当前，应用广泛的辅助系统技术是将导航、防撞、通信、进舰和复飞等功能融为一体的卫星导航(如全球定位系统、北斗卫星导航系统)和精密进近雷达组合着陆/舰导引系统。但是基于卫星的导航体制易受攻击，目前世界上多个国家都具备使用导弹摧毁天基卫星的能力。
伪卫星的功能类似于导航卫星，可以发出与导航卫星格式相似的信号。由于伪卫星相比导航卫星与用户接收机的距离小数个量级，因此接收到的信号强度高，具有较强的抗干扰能力；伪卫星不需要昂贵的高精度原子钟，并且无需发射费用，因此成本较低；伪卫星可根据需要机动设置，可以安装在移动平台上；利用伪卫星进行定位的最大优势是伪卫星使用和全球导航卫星系统(GNSS)相似的信号与导航方式，可以实现定位系统与GNSS导航定位的无缝连接。因此，使用伪卫星技术能够提升无人机辅助回收系统的可用性、稳定性、可靠性以及测量精度。同时，单脉冲雷达技术获取数据率的速度较快，有较高的测距精度和测角精度,并具有一定的抗干扰性能，可以与高精度测距定位伪卫星系统组合使用。在无人机回收的不同阶段，分别使用单脉冲引航系统和伪卫星场为无人机的着陆/舰提供导引信号。
实用新型内容
为了给无人机的着陆/舰提供不依赖于天基导航卫星的导引信号，而且导引信号具备抗干扰、高精度等特点，从而辅助无人机实现自主的着陆/舰，本实用新型提供一种基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统，该系统可以在着陆/舰阶段实现无人机的精确定位，引导无人机精确回航。
本实用新型提出的基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统，由单脉冲引航系统、伪卫星场、机载系统和系统交互控制单元组成。
单脉冲引航系统包括伺服控制系统和单脉冲天线。
伪卫星场包括一个时钟源和至少四个伪卫星基站，时钟源向各伪卫星基站同步提供时间，伪卫星基站向空间发射伪卫星信号。
机载系统包括一个与单脉冲引航系统进行双向通信的全向天线，一个仅用于接收伪卫星基站信号的全向天线，一个与系统交互控制单元进行数据链通信的天线，以及信号处理机。
系统交互控制单元用于实现与单脉冲引航系统、伪卫星场和机载系统的数据交互及控制，系统交互控制单元向单脉冲引航系统发送控制指令，同时从单脉冲引航系统接收返回的测控数据；系统交互控制单元向伪卫星场发送控制信号，控制伪卫星场的开启和关闭；系统交互控制单元与机载系统进行数据链通信，能够获取无人机的位置信息。
其中，单脉冲引航系统具体为单通道单脉冲引航系统。单通道单脉冲技术是在传统的两通道单脉冲或三通道单脉冲的基础上，经过一个扫描变换器实现的。在馈源组合中，波束形成网络输出的方位误差信号ΔA和俯仰误差信号ΔE，经过一低频信号调制后，信号合并成一个单通道和信号，这个和信号可以是调相信号或调频信号。因此，可用单通道信号的调角变化传输数据信息，幅度变化传输角跟踪误差信息，共同由下行信道传输到机载系统的接收机，再分别解调出数据信息和角跟踪误差信息。
其中，单脉冲引航系统中伺服控制系统的方向调节范围为0°至360°，俯仰调节范围为90°，从而使得单脉冲天线可扫描整个天际的信号，单脉冲天线采用窄波束定向天线，实现高精度测角，引航范围大，可实现远距离引航。
其中，单脉冲引航系统中单脉冲天线是收发频率为35GHz的窄带单脉冲天线。
其中，伪卫星场的时钟源采用具备锁相输出的恒温晶体振荡器。因为伪卫星场需要高精度的时钟源来保障其定位精度，设计时需要使用高精度频率源作为系统的基准时钟。为了时钟的高稳定度，本实用新型的技术方案中采用恒温晶体振荡器(OCXO)锁相输出，OCXO的频率稳定度高，可采用倍频和分频实现不同的频率，从而保障时钟源的精度，进而提高伪卫星场的定位精度。
其中，伪卫星场的卫星基站采用2GHz的伪卫星信号发射天线。
本实用新型的有益效果在于：(1)无人机的着陆/舰提供不依赖于导航卫星的导引信号，可在天基导航卫星被摧毁或信号被干扰的情况下，实现无人机的自主着陆/舰；(2)在无人机回收导引阶段，分阶段分别采用单脉冲引航系统和伪卫星场对无人机进行导引，信号精度高，抗干扰能力强；(3)基于伪卫星场的导引系统不需发射，成本低，而且与现有卫星导航系统的兼容性好；(4)可同时导引多架无人机先后着陆/舰，减少着陆/舰的等待时间。
附图说明
图1基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统组成和连接关系示意图；
图2基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统发射导引信号示意图；
图3基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统导引过程示意图。
具体实施方式
为了更好地说明本实用新型涉及的无人机回收系统，下面结合附图1至附图3具体介绍一下本实用新型的具体实施方案。
基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统，由单脉冲引航系统1、伪卫星场2、机载系统3和系统交互控制单元4组成，如附图1所示。
单脉冲引航系统1包括伺服控制系统和单脉冲天线；单脉冲引航系统1具体为单通道单脉冲引航系统；单脉冲引航系统中伺服控制系统的方向调节范围为0°至360°，俯仰调节范围为90°，而单脉冲天线采用窄波束定向天线，天线的收发频率为35GHz。
伪卫星场2包括一个时钟源和四个伪卫星基站(当伪卫星基站的数量超过四个时，可提高系统的冗余度，并进一步提高伪卫星信号的精度)，时钟源向各伪卫星基站同步提供时间，伪卫星场的时钟源具体采用具备锁相输出的恒温晶体振荡器，伪卫星场的四个卫星基站均采用2GHz的伪卫星信号发射天线。四个伪卫星基站，分别布置于陆基跑道周边或者无人机的载舰甲板上，伪卫星基站的布局应选取使几何精度因子较小的伪卫星空间布局。
机载系统3位于无人机上，具体包括一个与单脉冲引航系统1进行双向通信的全向天线，一个仅用于接收伪卫星基站信号的全向天线，一个与系统交互控制单元4进行数据链通信的天线，以及信号处理机；
系统交互控制单元4用于实现与单脉冲引航系统1和伪卫星场2的数据交互和控制。系统交互控制单元4向单脉冲引航系统1发送控制指令，控制单脉冲引航系统1的开启，并控制单脉冲引航系统1捕获和跟踪无人机，系统交互控制单元4还能从单脉冲引航系统1接收返回的测控数据。当无人机距单脉冲引航系统1的距离≤D2时，由系统交互控制单元4向伪卫星场2发送控制信号，切换为由伪卫星场2向无人机提供回收信号，单脉冲引航系统1关闭。系统交互控制单元4与机载系统3进行数据链通信，能够获取无人机的位置信息(该位置信息由无人机的天基卫星导航系统、惯性导航系统或无线电导航系统等导航系统确定)。
为了更好地说明无人机回收系统的工作情况，下面结合说明书附图介绍一下使用上述无人机回收系统回收无人机的方法。
使用基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统回收无人机的方法，包括以下五个步骤：
S1.首先确定距离D1和D2，本实施例中距离D1具体取值为100Km(距离D1的取值可以在一定范围内调整，诸如90Km至120Km，主要取决于单脉冲引航系统的作用距离和引航精度)，本实施例中距离D2具体取值为10Km(距离D2的取值也可以在一定范围内调整，诸如8Km至15Km，主要取决于伪卫星场信号的强度等)；
S2.由系统交互控制单元4与机载系统3进行数据链通信，获取无人机的位置信息，然后由系统交互控制单元4根据其自身所处的位置，然后计算出无人机距回收系统的距离；
S3.当无人机距回收系统的距离≤步骤S1中设定的距离D1(本实施例中具体为100Km)时，由系统交互控制单元4开启单脉冲引航系统1，此后由单脉冲引航系统1跟踪无人机并向无人机提供引航信号；在该阶段，由单脉冲引航系统1测量无人机距回收系统的距离；
在单脉冲引航系统1跟踪无人机并向无人机提供引航信号的过程中，又可以具体分为以下几个步骤：
S31.在单脉冲引航过程中，将引航过程划分为捕获和跟踪两个阶段；
S32.在捕获阶段，由单脉冲引航系统1的伺服控制系统控制单脉冲天线在方位和俯仰两个轴上扫描无人机发出的信标信号，捕获到信号后，进入跟踪阶段；
为了提高捕获的速度，在系统交互控制单元4开启单脉冲引航系统1时，根据此时由系统交互控制单元4通过数据链通信从机载系统3获取的无人机位置信息，由伺服控制系统控制单脉冲天线扫描无人机所处位置及周边区域。
S33.在跟踪阶段，采用单脉冲跟踪方式测量无人机位置信息(具体的方法为利用单脉冲进行高精度的测距和测角，测角具体包括测量方位角和俯仰角，其测角精度可达0.05°甚至更高，进而根据机场或舰艇的位置计算得到无人机的准确位置)，并将该信息回传给无人机，无人机根据回传的信息确定与着陆/舰点的距离及相对位置。
S4.当无人机距单脉冲引航系统1的距离≤步骤S1中设定的距离D2(本实施例中具体为10Km)时，由系统交互控制单元4切换为由伪卫星场2向无人机提供回收信号，并由系统交互控制单元4控制单脉冲引航系统1关闭；为了提高信号的抗电磁干扰能力，在步骤S3中，伪卫星场2提供的回收信号中码元长度、码元周期、码速率频率、载波中心频率，以及载波调制方法均可以调节。
S5.机载系统3的信号处理机根据伪卫星场提供的信号，实时解算无人机的位置，并发送给无人机的飞控系统，控制无人机着陆或着舰。
其中机载系统3利用伪卫星场提供的信号解算无人机位置的方法采用的是伪距定位法。此处的伪距定位法与利用全球卫星定位系统进行导航定位的伪距定位法方法一致，其基本原理是：在某一瞬间利用机载系统3的信号处理机同时接收并测定至少四颗卫星/伪卫星的伪距，根据已知的卫星/伪卫星位置和伪距观测值，采用距离交会法求出信号处理机(即无人机)的三维坐标和时钟改正数。
综上所述，本实用新型所提出的技术方案综合利用单脉冲引航系统和伪卫星场在不同阶段分别为着陆/舰对无人机实施导引，该系统具备导引信号精度高，抗干扰能力强，可同时引导多架次无人机着陆/舰，并可在天基导航卫星被摧毁的情况下，实现无人机的自主着陆/舰等特点，具有较为广阔的预期应用前景和较好的预期应用效果。
Claims (6)
1.基于单脉冲引航系统和伪卫星场的无人机回收系统，由单脉冲引航系统(1)、伪卫星场(2)、机载系统(3)和系统交互控制单元(4)组成，其特征在于：
单脉冲引航系统(1)包括伺服控制系统和单脉冲天线；
伪卫星场(2)包括一个时钟源和至少四个伪卫星基站，时钟源向各伪卫星基站同步提供时间，伪卫星基站向空间发射伪卫星信号；
机载系统(3)包括一个与单脉冲引航系统(1)进行双向通信的全向天线，一个仅用于接收伪卫星基站信号的全向天线，一个与系统交互控制单元(4)进行数据链通信的天线，以及信号处理机；
系统交互控制单元(4)用于实现与单脉冲引航系统(1)和伪卫星场(2)的数据交互和控制，系统交互控制单元(4)向单脉冲引航系统(1)发送控制指令，同时从单脉冲引航系统(1)接收返回的测控数据；系统交互控制单元(4)向伪卫星场(2)发送控制信号；系统交互控制单元与机载系统进行数据链通信。
2.如权利要求1所述的无人机回收系统，其特征在于，单脉冲引航系统(1)为单通道单脉冲引航系统。
3.如权利要求1所述的无人机回收系统，其特征在于，所述伺服控制系统的方向调节范围为0°至360°，俯仰调节范围为90°。
4.如权利要求1或2所述的无人机回收系统，其特征在于，所述单脉冲天线是收发频率为35GHz的窄带单脉冲天线。
5.如权利要求1或2所述的无人机回收系统，其特征在于，所述时钟源采用具备锁相输出的恒温晶体振荡器。
6.如权利要求1或2所述的无人机回收系统，其特征在于，所述的伪卫星基站采用2GHz的伪卫星信号发射天线。
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